第19讲电解池　金属的电化学腐蚀与防护（精讲）-2022年一轮复习讲练测（原卷版）_05高考化学_新高考复习资料_2022年新高考资料_2022年高考化学一轮复习讲练测

第六章 化学反应与能量 第19讲 电解池 金属的电化学腐蚀与防护（精讲） 【考情分析】 电解原理及其应用的内容是历年高考的常考知识点之一，通常以实际生产中的新型电解池为素材，以 选择题的形式考查电解池的工作原理，如电极反应式判断、电解质溶液中的现象及相关计算；以选择题的 形式考查金属腐蚀的危害及一些防腐措施；以填空题的形式结合生产和生活考查新情境下电解原理的实际 应用，如电解除污、结合离子交换膜进行电解等电极反应式和电池反应式的书写，解释一些化工原理。在 近几年高考中，涉及离子交换膜的应用及电解液介质对电极反应影响的试题比较多，且出题频率高、试题 新颖，离子交换膜的功能在于选择性地通过或阻止某些离子来达到隔离某些物质的作用。 【核心素养分析】 1.变化观念与平衡思想：认识化学变化的本质是有新物质生成，并伴有能量的转化；能多角度、动态地分 析电解池中发生的反应，并运用电解原理解决实际问题。 2.证据推理与模型认知：利用电解池装置，分析电解原理，建立解答电解池问题的思维模型，并利用模型 揭示其本质及规律。 3.科学态度与社会责任：肯定电解原理对社会发展的重大贫献，具有可持续发展意识和绿色化学观念，能 对与电解有关的社会热点问题做出正确的价值判断。 【网络构建】 【知识梳理】 智能点一 电解的原理 1.电解和电解池 (1)电解：在电流作用下，电解质在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。 (2)电解池：电能转化为化学能的装置。 (3)电解池的构成 ①有与电源相连的两个电极。 ②电解质溶液(或熔融电解质)。 ③形成闭合回路。 2.电解池的工作原理 (1)电极名称及电极反应式(电解CuCl 溶液为例) 2总反应式：CuCl=====Cu＋Cl↑ 2 2 (2)电解过程的三个流向 ①电子流向：电源负极→电解池阴极；电解池的阳极→电源的正极； ②离子流向：阳离子→电解池的阴极，阴离子→电解池的阳极。 ③电流方向：电源正极→电解池阳极→电解质溶液→阴极→负极。 3.电极反应式、电解方程式的书写 (1)首先判断阴、阳极，分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。 (2)再分析电解质水溶液的组成，找全离子并分阴离子、阳离子两组(不要忘记水溶液中的H＋和OH－)。 (3)然后排出阴、阳两极的放电顺序： 阴极：阳离子放电顺序：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋。 阳极：活泼电极＞S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根离子。 (4)分析电极反应，判断电极产物，写出电极反应式，要注意遵循原子守恒和电荷守恒。 (5)最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式，并注明“电解”条件。 【特别提醒】①阴极不管是什么材料，电极本身都不反应，一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电。 ②最常用、最重要的放电顺序为阳极：Cl－>OH－；阴极：Ag＋>Cu2＋>H＋。③电解水溶液时，K＋～Al3＋不可能 在阴极放电，即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。④书写电解池中的电极反应 式时，要以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成分子式。⑤阴极不管是什 么材料，电极本身都不反应，一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电。⑥要确保两极电子转移数目相 同，且注明条件“电解”。 4.阴、阳极的判断方法 (1)根据外接电源:正极接阳极,负极接阴极。 (2)根据电流方向:从阴极流出,从阳极流入。 (3)根据电子流向:从阳极流出,从阴极流入。 (4)根据离子移向:阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。 (5)根据电极产物:阳极——电极溶解、逸出O(或阳极区酸性增强)或Cl;阴极——析出金属、逸出H(或 2 2 2 阴极区碱性增强)。 (6)根据反应类型:阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。 5.用惰性电极电解电解质溶液的规律(1)电解溶剂水型 电解质溶液 电解质溶液 电解质类型 电极反应式及总反应式 溶液pH 浓度 复原 含氧酸，如HSO 阴极：4HO＋4e－===2H↑＋ 减小 2 4 2 2 4OH－ 可溶性强碱，如 增大 NaOH 阳极：2HO－4e－===O↑＋4H 2 2 增大 加水 ＋ 活泼金属含氧酸 总反应式：2HO=====2H↑＋ 不变 盐，如KNO 2 2 3 O↑ 2 (2)电解溶质型 电解质 电解质 电解质 电极反应式 溶液 溶液 溶液 类型 及总反应式 pH 浓度 复原 阴极：2H＋＋2e－===H↑ 通入 2 无氧酸，如 阳极：2Cl－－2e－===Cl↑ 增大 HCl HCl 2 总反应式：2HCl=====H↑＋Cl↑ 气体 2 2 减小 阴极：Cu2＋＋2e－===Cu 加入 不活泼金属 无氧酸盐， 阳极：2Cl－－2e－===Cl↑ CuCl 2 2 如CuCl 2 总反应式：CuCl=====Cu＋Cl↑ 固体 2 2 (3)电解溶质和溶剂水型，生成H 和碱（析氢生碱型）： 2 电解质 电解质 溶液 溶液 电极反应式及总反应式 (水溶液) 浓度 pH 复原 阳极：2Cl－－2e－===Cl↑ 活泼金属的无 2 通入 氧酸盐 阴极：2H 2 O＋2e－===H 2 ↑＋2OH－ 生成新 增大 HCl (如NaCl) 总反应式：2Cl－＋2H 2 O=====Cl 2 ↑＋ 电解质 气体 H↑＋2OH－ 2 (4)电解溶质和溶剂水型，生成O 和酸（放氧生酸型） 2 电解质 电极反应式 电解质 溶液 溶液 (水溶液) 及总反应式 浓度 pH 复原 阳极：2HO－4e－===O↑＋4H＋ 2 2 不活泼金属的 阴极：2Cu2＋＋4e－===2Cu 生成新 加CuO 含氧酸盐[如 减小 CuSO 4 ] 总反应式：2Cu2＋＋2H 2 O=====2Cu 电解质 或CuCO 3 ＋O↑＋4H＋ 2 智能点二 电解原理的应用 1.氯碱工业阳极反应式：2Cl－－2e－===Cl↑(氧化反应) 2 阴极反应式：2H＋＋2e－===H↑(还原反应) 2 总反应方程式： 2NaCl＋2HO=====2NaOH＋H↑＋Cl↑ 2 2 2 2.电镀与电解精炼 电镀 电解精炼铜 示意图 阳极 Cu－2e－===Cu2＋ Zn－2e－===Zn2＋，Cu－2e－===Cu2＋ 电极反应 阴极 Cu2＋＋2e－===Cu Cu2＋＋2e－===Cu 电解质溶液的浓度变化 CuSO 溶液的浓度不变 CuSO 溶液的浓度变小 4 4 注意：电解精炼铜时，阳极质量减小，阴极质量增加，溶液中的Cu2＋浓度减小。粗铜中不活泼的杂质(金 属活动性顺序中位于铜之后的银、金等)，在阳极难以失去电子，当阳极上的铜失去电子变成离子之后， 它们以金属单质的形式沉积于电解槽的底部，成为阳极泥。 3.电冶金 电解冶 冶炼钠 冶炼镁 冶炼铝 炼 电极反 阳极：2Cl－－2e－===Cl↑ 阳极：2Cl－2e－===Cl↑ 阳极：6O2－－12e－===3O↑ 2 2 2 应 阴极：2Na＋＋2e－===2Na 阴极：Mg2＋＋2e－===Mg 阴极：4Al3＋＋12e－===4Al 2AlO(熔融)=====4Al＋ 2 3 总反应 2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl↑ MgCl 熔融=====Mg＋Cl↑ 2 2 2 3O↑ 2 【特别提醒】(1)氯碱工业所用的饱和食盐水需要精制，除去NaCl中混有的Ca2＋、Mg2＋、SO。 (2)电镀铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)不变；电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)减小。 (3)电解熔融MgCl 冶炼镁，而不能电解MgO冶炼镁，是因为MgO的熔点很高；电解熔融AlO 冶炼铝，而不 2 2 3 能电解AlCl 冶炼铝，是因为AlCl 是共价化合物，其熔融态不导电。 3 3 智能点三 金属的腐蚀与防护 1.金属腐蚀的本质 金属原子失去电子变为金属阳离子，金属发生氧化反应。 2.金属腐蚀的类型 (1)化学腐蚀与电化学腐蚀类型 化学腐蚀 电化学腐蚀 条件 金属跟非金属单质直接接触 不纯金属或合金跟电解质溶液接触 现象 无电流产生 有微弱电流产生 本质 金属被氧化 较活泼金属被氧化 联系 两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍 (2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀（以钢铁的腐蚀为例）： 类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 条件 水膜酸性较强(pH≤4.3) 水膜酸性很弱或呈中性 负极 Fe－2e－===Fe2＋ 电极反应 正极 2H＋＋2e－===H↑ O＋2HO＋4e－===4OH－ 2 2 2 总反应式 Fe＋2H＋===Fe2＋＋H↑ 2Fe＋O＋2HO===2Fe(OH) 2 2 2 2 联系 吸氧腐蚀更普遍 注：电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐措施的腐蚀。 3.金属的防护 (1)电化学防护 ①牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理 a.负极：比被保护金属活泼的金属； b.正极：被保护的金属设备。 ②外加电流的阴极保护法——电解原理 a.阴极：被保护的金属设备； b.阳极：惰性金属或石墨。 (2)改变金属的内部结构，如制成合金、不锈钢等。 (3)加防护层，如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。 【特别提醒】(1)钢铁发生电化学腐蚀时，负极铁去电子生成Fe2＋，而不是生成Fe3＋。 (2)金属腐蚀时，电化学腐蚀与化学腐蚀往往同时存在，但前者更普遍，危害也更严重。 (3)铜暴露在潮湿的空气中发生的是化学腐蚀，而不是电化学腐蚀，生成铜绿的化学成分是Cu(OH)CO。 2 2 3 (4)两种保护方法的比较：外加电流的阴极保护法比牺牲阳极的阴极保护法保护效果好。 (5)金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀，金属活动顺序表中位于氢前面和氢后面的金属都能发生吸 氧腐蚀，但只有在金属活动顺序表中氢前面的金属才可能发生析氢腐蚀。 智能点四 电化学有关计算 1.计算依据——三个相等 (1)同一原电池的正、负极的电极反应得、失电子数相等。 (2)同一电解池的阴极、阳极电极反应中得、失电子数相等。 (3)串联电路中的各个电极反应得、失电子数相等。 上述三种情况下，在写电极反应式时，得、失电子数要相等，在计算电解产物的量时，应按得、失电子数 相等计算。 2.计算方法——三种常用方法 (1)根据总反应式计算先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列出比例式计算。 (2)根据电子守恒计算 ①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数 相等。 ②用于混合溶液中分阶段电解的计算。 (3)根据关系式计算 根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁，构建计算所需的关系式。 如以通过4mole-为桥梁可构建如下关系式: 4 ⏟2Cl (Br 、I )~O ~2H ~2Cu~4Ag~ M 4e-~ 2 2 2 2 ⏟2 n 阳极产物 阴极产物 (式中M为金属,n为其离子的化合价数值) 该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计 算问题。 提示：在电化学计算中，还常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)×N×1.60×10－19C来计算电路中通过的电量。 A 【典例剖析】 高频考点1 考查电解规律及电极产物的判断 例1.(2020·天津市实验中学高三模拟)以石墨为电极，电解KI溶液(含有少量的酚酞和淀粉)。下列说法 错误的是( ) A．阴极附近溶液呈红色 B．阴极逸出气体 C．阳极附近溶液呈蓝色 D．溶液的pH变小 【变式训练】（2020·浙江金华市·高三一模）以一氯代乙酸钠(CHClCOONa)水溶液为原料，通过电解法 2 可以制备1，2-二氯乙烷(CHClCHCl)，且有CO 生成，装置如图所示。 2 2 2 下列有关说法不正确的是 A．阳极发生氧化反应，有CO 生成 2 B．阴极的反应为2HO+2e-=H↑+2OH- 2 2 C．电解过程中应选用阴离子交换膜 D．该装置的总反应式：2CHClCOO-+2HO CHClCHCl+2CO↑+H↑+2OH- 2 2 2 2 2 2高频考点2 考查电极反应式的书写与正误判断 1．（2020·湖北黄石二中高三）最近我国科学家设计了一种CO＋HS协同转化装置，实现对天然气中CO 2 2 2 和HS的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯 2 电极区发生反应为： ①EDTA-Fe2＋－e-=EDTA-Fe3＋ ②2EDTA-Fe3＋＋HS=2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋ 2 该装置工作时，下列叙述正确的是（ ） A．电子从ZnO@石墨烯极移到石墨烯极，电解质中的阳离子向石墨烯极移动 B．光伏电池中使用二氧化硅把光能转为化学能 C．协同转化总反应：CO＋HS=CO＋HO＋S 2 2 2 D．石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低 【变式训练】（2021·安徽高三）最近我国科学家设计了一种CHOH+CO 协同电解转化装置，通过回收工 2 5 2 业尾气中的CO 实现了联合生产合成气(CO+H)和CHCHO的新工艺，其工作原理如图所示，下列说法正确的 2 2 3 是 A．电极a上的电势比电极b上的高B．电解池工作时，电极a附近的CO 浓度升高 C．电极b上的电极反应式为CHOH+2e-+2CO =CHCHO+2HCO 2 5 3 D．电解池工作时，CO 透过交换膜向电极a移动 高频考点3 考查电解原理的应用 例3．（2020·湖北黄冈中学高三）一种生物电化学方法脱除水体中NH+的原理如下图所示: 4 下列说法正确的是 A．装置工作时，化学能转变为电能 B．装置工作时，a极周围溶液pH降低 C．装置内工作温度越高。NH+脱除率一定越大 4 D．电极b上发生的反应之一是:2NO--2e-=N↑+3O↑ 3 2 2 【变式训练】（2020·安徽六安一中高三）利用电解法制取 NaFeO 的装置图如图所示，下列说法正确的 2 4 是（电解过程中温度保 持不变，溶液体积变化忽略不计） A．Y 是外接电源的正极，Fe 电极上发生还原反应 B．Ni 电极上发生的电极反应为：2HO － 4e－== O↑＋4H＋ 2 2 C．若隔膜为阴离子交换膜，则电解过程中 OH－由 B 室进入 A 室 D．电解后，撤去隔膜，充分混合，电解液的 pH 比原来小 高频考点4 考查金属腐蚀快慢比较 例4.（2020·通许县第一高级中学高三月考）将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐 蚀。在图中所示的情境中，下列有关说法正确的是A．阴极的电极反应式为Fe-2e-＝Fe2+ B．钢铁设施表面因积累大量电子而被保护 C．钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快 D．该保护法为外加电流的阴极保护法，金属M不需要定期更换 【变式训练】（2021·辽宁高三）验证钢铁腐蚀的类型与溶液pH的关系。 ① ② ③ 腐蚀较快，主要产物Fe2+ 腐蚀较慢，主要产物FeO 腐蚀较快，主要产物FeO 2 3 下列说法不正确的是 A．在pH=3溶液中，主要发生析氢腐蚀，现象是铁棒逐渐溶解，碳棒表面有气泡产生 B．在pH=7溶液中，主要发生吸氧腐蚀，正极反应式为O+2HO+4e-=4OH- 2 2 C．在pH=7溶液中，主要发生吸氧腐蚀，负极反应式为Fe-2e-=Fe2+ D．在pH=14溶液中，主要发生吸氧腐蚀，正极反应式为Fe-3e-+4OH-=FeO +2HO 2 高频考点5 考查金属腐蚀与防护措施 例5.(2020·湖北四地七校期末)下列关于金属腐蚀和保护的说法正确的是( ) A．牺牲阳极的阴极保护法利用电解原理 B．金属的化学腐蚀的实质是：M－ne－===Mn＋，电子直接转移给还原剂 C．外加直流电源的阴极保护法，在通电时被保护的金属表面腐蚀电流降至零或接近于零 D．铜碳合金铸成的铜像在酸雨中发生电化学腐蚀时正极的电极反应为：2H＋＋2e－===H↑ 2 【变式训练】（2021·北京高三期末）验证牺牲阳极的阴极保护法，实验如下(烧杯内均为经过酸化的 3%NaCl溶液)。① ② ③ 试管内生成蓝色沉淀 在Fe表面生成蓝色沉淀 试管内无明显变化 下列说法不正确的是 A．实验①说明Fe腐蚀生成Fe2+ B．对比实验①③，可以判定Zn保护了Fe C．对比实验②③，预测 K[Fe(CN)]可能将Fe氧化 3 6 D．将②中溶液换成HO(已除O)，若无明显现象，说明K[Fe(CN)]不能氧化Fe 2 2 3 6 高频考点6 考查电子守恒在电化学计算中的应用 例6.（2020·广东高三）500mLKNO 和Cu(NO) 的混合溶液中c(NO-)＝6.0mol·L-1，用石墨作电极电解此 3 3 2 3 溶液，当通电一段时间后，两极均收集到22.4L气体（标准状况），假定电解后溶液体积仍为500mL，下 列说法正确的是（ ） A．原混合溶液中c(K＋)为2mol·L-1 B．上述电解过程中共转移4 mol电子 C．电解得到的Cu的物质的量为0.5mol D．电解后溶液中c(H＋)为2mol·L-1 【变式训练】（2020·山东卷）微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获 得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含 CHCOO-的溶液为例)。下列说法错误的是 3A. 负极反应为 B. 隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜 C. 当电路中转移1mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5g D. 电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2:1